硅微电子学
大功率照明白光L ED 恒流驱动芯片设计
Ξ
郑晓东 郭 维ΞΞ
朱大中
(浙江大学信息与电子工程学系,微电子与光电子研究所,杭州,310027)
2008203226收稿,2008205226收改稿
摘要:基于016Λm 标准C M O S 工艺,研究设计了一款大功率照明白光L ED 恒流驱动芯片,可为两路功率型
L ED 分别提供恒定的350mA 驱动电流。驱动电路的输出级大功率管采用蛇形栅结构的设计,在标准C M O S 工艺
线上实现了功率器件与控制电路的单片集成。采用单电源供电,最高输出功率可达3W 以上;单电源电压在4~7V 范围内,芯片能够实现良好的恒流驱动功能,驱动电流恒流失配度保持在3109%以内;当标准5V 电源有10%的变化时,驱动电流的变化可控制在1142%之内,恒流失配度保持在2184%以内;而当环境温度在10~90℃范围内变化,驱动电流最多增大1175%,恒流失配度保持在3115%以内。采用双电源供电时,芯片电源转换效率可达83%。
关键词:互补金属氧化物半导体功率集成电路;功率型白光发光二极管;蛇形栅结构;恒流驱动中图分类号:TN 432 文献标识码:A 文章编号:100023819(2009)012122204
D esign of Con stan t -curren t D r iver I C for Power W h ite L ED s
ZH EN G X iaodong GU O W ei ZHU D azhong
(D ep a rt m en t of Inf or m a tion S cience and E lectron ics E ng ineering ,Z hej iang U n iversity ,H ang z hou ,310027,CH N )
Abstract :A m ono lith ic con stan t 2cu rren t driving in tegrated circu it (I C )is designed and fab ri 2cated by u sing CS M C 016um standard C M O S p rocess to drive tw o pow er w h ite ligh t 2em itting
di ode (L ED )strings w ith 350mA each .T he ou tp u t 2stage pow er M O SFET s are designed w ith C M O S ben t 2gate structu re ,and it m akes po ssib le the com p atib le in tegrati on of pow er device w ith conven ti onal C M O S signal p rocessing circu its .In the typ ical op erating circu it w ith single pow er supp ly ,it is ab le to supp ly 3W pow er w h ite L ED ,and the inp u t vo ltage range is 4V to 7V .W hen 5V single vo ltage supp ly changes by 10%o r am b ien t tem p eratu re varies from 10°C to 90°C ,the variance of the driving cu rren t can be con tro lled w ith in 1142%and 1175%,w h ile the cu r 2ren ts of the tw o p ath s are m is m atched w ith in 2184%and 3115%resp ectively .T he pow er effi 2ciency of th is ch i p can reach up to 83%w ith doub le vo ltage supp lies .
Key words :C MOS power I C ;power wh ite L ED ;ben t -ga te MOS structure ;con stan t -curren t dr iv i ng
EEACC :2570P
引 言
近年来,半导体固体照明光源发光二极管(L ED ,L igh t em itting di ode )因其高效、节能、环保、
寿命长、可靠性高等优点得到了广泛应用,尤其随着新材料的发展和制造工艺的改进,高亮度大功率照明白光L ED 发展迅速,大有取代白炽灯、荧光灯等成为通用照明领域新光源之势[122]。因此,开发与之相适应的大功率L ED 驱动芯片具有十分广阔的市
第29卷 第1期2009年3月 固体电子学研究与进展R ESEA RCH &PRO GR ESS O F
SSE
V o l .29,N o.1
M ar .,2009ΞΞ
Ξ联系作者:2@zju ..基金项目:浙江省科学技术厅科技计划项目高效节能技术专项(计划编号2006C11007)
场前景。
本设计为采用016Λm 标准C M O S 工艺研制的一款代替传统白光L ED 设计中简易镇流电阻的恒流驱动芯片,在标准C M O S 工艺线上实现了功率器件与控制电路的集成,可为两路功率型照明白光L ED 分别提供恒定的350mA 驱动电流。对L ED 采用恒流驱动方式较之恒压驱动具有更高的可靠性,同时也有利于保证各个L ED 之间亮度和色度的一致[3]。而对于电源电压或环境温度变化产生的影响,设计中通过取样反馈控制电路以使输出驱动电流保持恒定。
1 芯片设计
驱动芯片采用无锡华润上华016Λm
双层金属
双层多晶硅N 阱标准C M O S 工艺技术(CS M C 016Λ
m doub le po ly doub le m etal techno logy )制造,实现了功率器件与控制电路的单片集成。图1所示芯片照片,面积为2mm ×2mm ,结构布局主要可以分为两大部分,A 为恒流控制电路,B 则是两个高宽长比的输出级大功率NM O S 管。
图1 驱动芯片照片[A 为控制及测试电路,B 为功率
NM O S 管(M 1和M 2)]
F ig .1 Pho to of the ch i p [A :Con stan t 2cu rren t con tro l 2
ling circu its ;B :Pow er NM O SFET s (M 1and M 2]
高宽长比大功率NM O S 管的设计采用了如图2所示的蛇形栅结构(B en t 2gateM O S structu re )。表1所示为该结构与传统的叉指状直栅结构有效宽长比密度的比较。基于本设计所采用的工艺,由表中数据可知,相比叉指状直栅结构,蛇形栅结构的有效宽长比密度增大了2619%。所以采用蛇形栅结构的M O S 管具有更高的有效宽长比密度,结构更紧凑,因而可以提高芯片面积利用率[426]。
图3所示为芯片内部电路及外围应用电路框图,其中虚线框内各模块均实现了片上集成,主要包括一个带隙基准电压源、一个运算放大器(A )、两个相同的输出级高宽长比大功率NM O S 管(M 1和M 2)、
图2 蛇形栅结构大功率NM O S 管版图设计
F ig .2 L ayou t of ben t 2gate structu re pow er NM O SFET
表1 采用无锡华润上华016Λm 双层金属双层多晶硅N 阱
标准C MOS 工艺设计的不同结构MOS 管有效宽长比密度比较
Tab .1 Co m par ison of effective W L den sity 33
of d ifferen t
MOS structures designed by CS M C 016Λm D PDM technology M O S structu re Effective W L den sity Λm -2
N o rm alM O S 01694Ben t 2gate
01881
33
Effective
W
L den sity =w idth -to -length -rati o area -of
图3 芯片内部电路及外围应用电路框图
F ig .3 Topo logy structu re of app licati on circu it
取样M O S 管(M 3)等部分。
芯片共有六个引出端,其中GND 为接地端;EN 为控制电路电源端,标准取值为5V ;L ED 1和L ED 2为两路350mA 恒定驱动电流输出
端,每路上均可串接若干L ED ,而驱动电源电压V cc 的
值根据串接L ED 的个数确定(5V ,9V 或12V );V 313和SET 为外接取样电阻(R SET )的接入端。
芯片稳定工作时,带隙基准电压源产生313V 和115V 两个基准电压。其中,115V 基准电压接入运算放大器的反相输入端,而该运算放大器的输出控制功率NM O S 管M 1、M 2和取样M O S 管M 3的栅压,从而控制流经L ED 的驱动电流。取样电流I SET 在取样电阻R SET 上产生取样电压,313V 基准电压与该取样电压的电压差作为反馈电压反馈回运算放大器的同相输入端,并与放大器反相输入端的电压经
321 1期 郑晓东等:大功率照明白光L ED 恒流驱动芯片设计
比较放大产生一个控制信号,对M 3的栅电压进行调整,进而对M 3上的I SET 进行调整,以使整个闭环反馈系统处于动态平衡中。当I SET 减小时,R SET 上的压降随之减小,则运算放大器同相输入端的电压V +增大,导致放大器的输出增大,从而使I SET 增大;
反之亦然。总之,该闭环反馈控制电路能使传感电流
I SET 始终处于恒定状态。由于运算放大器的钳位作
用,V SET =115V ,则取样电流为
I SET =(313-115)V R SET
=
118V
R SET
取k =
W L i
W L
3
(i =1,2),因为M 1、M 2和M 3均工作
于饱和区,且其栅源电压相等,所以输出电流为:
I L ED i =k ×I SET =
W L
i
W L
3
×
118V
R SET
应用时通过调节取样电阻R SET 便可设定输出驱动电流为所需值。本设计中取k =824,R SET =510k 8,而输出驱动电流为350mA 。在输出级两路完全匹配的情况下,因为满足I L ED 1=I L ED 2=824I SET ,所以M 1和M 2上的输出驱动电流也会跟随保持恒定I SET 并且相等。但是,要实现输出级两路的绝对匹配一般是不可能的,故而在实际情况中需要对电流的控制精度和匹配度进行折中考虑。在对电流匹配度要求不是非常高(两路电流恒流失配度≤5%)的情况下,此电路结构能够很好地实现恒流控制功能
[728]
。
图4 蛇形栅结构大功率NM O S 管I D 2V DS 特性曲线照片
(栅源电压:012V 级)F ig .4 Pho to of I D 2V DS characteristic of the ben t 2gate
structu re pow er NM O SFET s (V GS :012V div )
2 测试结果
图4所示为芯片中两个大功率NM O S 管(M 1
和M 2)的传输特性曲线。
从图中可以看出,其性能良好,当栅源电压(V GS )为1.2V ,源漏电压(V DS )为115~5V 左右时,输出电流最高可达500mA ,完全可以作为驱动工作电流为350mA 的照明白光L ED 的
输出级功率管使用。
该芯片将主要应用于通用照明领域,采用单电源供电,两路输出上各接一个标准工作电压为315V 、
工作电流为350mA 的功率型照明白光L ED ,其应用电路的标准电源电压为5V ,即V DD =V cc =5V 。图5所示为采用单电源供电,电源电压V cc 变化时,两路输出驱动电流的变化情况。由图可知,当电源电压为215V 左右时,芯片启动;而当电源电压在4~
7V 范围内变化,芯片具有稳定的恒流特性,驱动电流变化?I L ED 1=48mA ,?I L ED 2=64mA ,输出两路电流的恒流失配度可保持在3109%以内。
图5 单电源电压变化时芯片恒流特性
F ig .5 D riving cu rren ts vs
.single pow er supp ly vo ltage 表2所示为标准5V 单电源电压发生10%变化
时,驱动芯片恒流特性的相关测试结果。由表中数据可知,当电源电压发生10%的变化,L ED 上的正向压降V L ED 几乎不发生变化,而电源电压的变化基本等值反映在大功率NM O S 管的源漏电压(V D S )变化上。根据测试结果,电源电压为5V 时,两路L ED 上的驱动电流I L ED 1和I L ED 2分别为343mA 和352mA ,恒流失配度为2159%。当5V 电源电压变化±10%,驱动电流的变化可控制在1142%之内,恒流失配度保持在2184%以内。
表2 标准5V 单电源电压发生10%变化,相关参数变化情况
Tab
.2 Electr ica l param eters var i a tion a t the 5V power supply with 10%changes V cc V 415
510515V L E D V V DS V I L ED mA
L ED 1312131223122L ED 2312431243124M 1112911782128M 2112611762126L ED 1342343347L ED 2
351352357I to t mA
711
713
723
图6所示为不同环境温度下驱动电流的变化情
况。当环境温度由10℃升高到90℃,两路驱动电流分别增大了1175%和1170%,恒流失配度保持在
4
21固 体 电 子 学 研 究 与 进 展29卷
3115%之内
。
图6 环境温度变化时,驱动电流变化情况
F ig .6 D riving cu rren ts vs
.am b ien t temperatu re 通过在319~610k 8范围内调节取样电阻R SET
的大小,可对两路输出驱动电流分别在320~500
mA 和330
~515mA 范围内进行调整,
且恒流失配度保持在5%以内,如图7所示。
图7 取样电阻R SET 对驱动电流的调节作用
F ig .7 D riving cu rren ts vs
.R SET 当驱动电源电压V cc 分别为9V 和12V ,输出级每路可分别串接2个和3个标准工作电压为315V 、工作电流为350mA 的功率型照明白光L ED 。芯片
的电源转换效率定义为芯片输出功率与电源的总输入功率之比。随着串接L ED 个数的增加以及驱动电源电压的抬高,芯片的电源转换效率也会随之提高。当采用双电源供电,V DD =5V ,而驱动电源电压V cc 为12V 时,电源转换效率可达83%。
3 结 论
基于无锡华润上华的016Λm 双层金属双层多晶
硅N 阱标准C M O S 工艺,设计了一款能对两路功率型照明白光L ED 进行恒流驱动的芯片,在标准C M O S 工艺线上成功实现了功率器件与控制电路的单片集成。芯片面积为2mm ×2mm ,输出级大功率NM O S 管的设计采用面积利用率更高的蛇形栅结构。测试结果说明,当电源电压或环境温度发生变化时,芯片具有稳定的恒流输出,且输出两路驱动性能具有良好的一致性,各项指标均达到了预期设计目标。
参考文献
[1] Cheng Y K ,Cheng K W E .General study fo r u sing
L ED to rep lace traditi onal ligh ting devices [C ].2nd In ternati onal Conference on Pow er E lectron ics Sys 2tem s and A pp licati on s ,Hong Kong :PESA ,2006:1732177.
[2] Douglas A K irkpatrick .Is so lid 2state the fu tu re of
ligh ting [C ].T h ird In ternati onal Conference on So lid
State L igh ting ,San D iego ,U SA :SP IE ,2004:10221.
[3] M ax i m 2D allas Sem iconducto r ,W hy D rive W h ite L ED s
w ith Con stan t Cu rren t [OL ].Jun ,03,2004.[4] M alik S Q ,Geiger R L .M in i m izati on of area in low 2
resistance M O S s w itches [C ].P roceedings of the 43rd IEEE M idw est Sympo sium on C ircu its and System s ,
2000:139221395.
[5] M alik S Q ,Geiger R L .M in i m izati on of area in low 2
resistance M O S s w itches [C ].43rd IEEE M idw est
Sympo sium on C ircu its and System s ,L an sing ,M I :2000,3:139221395.
[6] 沈慧,朱大中.半导体照明光源恒流驱动芯片的研究
[J ].固体电子学研究与进展,2006,26(2):1002103.[7] M ax i m 2D allas Sem iconducto r ,D riving L ED s in Bat 2
tery 2Operated A pp licati on s :Con tro lling B righ tness Pow er Efficien tly [OL ].M ar 25,2003.[8] M ax i m 2D allas Sem iconducto r ,Charge 2Pump and Step 2
U p DC 2DC Converter So lu
ti on s fo r Pow ering W h ite L ED s in Series o r Parallel Connecti on s [OL ].A p r 23,2002.
郑晓东
(ZH EN G X iaodong ) 男,汉族,1982年生,浙江淳安人,2005年毕业于浙江大学信息科学与工程学院信息与电子工程学系微电子学与固体电子学专业,获得学士学位;2006年开始攻读本专业硕士学位,主要从事模拟集成电路领域的研究工作。
郭 维(GUO W
ei ) 男,1973年出生于陕西兴平,1994年毕业于浙江大学信电系半导体物理与器件专业,获学士学位,1997年于浙江大学信电系获得半导体物理与器件专业硕士学位,现为浙江大学信息科学与工程学院信电系微电子与光电子研究所教师,主要从事混合信号集成电路、电源管理集成电路、大功率集成电路领域的研究工作。
朱大中(ZHU D azhong ) 男,1945年出生于上海,1967年毕业于南京大学物理系半导体物理专业,1981年在浙江大学无线电系半导体物理与器件专业研究生毕业,获硕士学位,现为浙江大学信息科学与工程学院信息与电子工程学系教授,博士生导师,主要研究领域包括混合信号集成电路、传感器集成电路、微波微
机械集成电子学。
521 1期 郑晓东等:大功率照明白光L ED 恒流驱动芯片设计